摘要：Blackfin處理器廣泛應(yīng)用于便攜音視頻產(chǎn)品等嵌入式系統(tǒng)，低功耗設(shè)計(jì)直接影響產(chǎn)品使用時(shí)間。文中從時(shí)鐘頻率、工作模式、片內(nèi)外設(shè)、內(nèi)核電壓等方面，說明了Blackfin處理器低功耗設(shè)計(jì)的具體方法，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功耗的靈活控制與調(diào)節(jié)，最大程度上延長(zhǎng)系統(tǒng)的有效使用時(shí)間。
關(guān)鍵詞：DSP；Blackfin；低功耗

    Blackfin處理器功耗由內(nèi)部功耗、外部功耗和實(shí)時(shí)鐘功耗組成。內(nèi)部功耗由內(nèi)部動(dòng)態(tài)電流和靜態(tài)電流引起。外部功耗取決于處理器內(nèi)外設(shè)的使用情況，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，片內(nèi)外設(shè)的使用有所不同，外部功耗也會(huì)不同。實(shí)時(shí)鐘功耗一般處于特定范圍之內(nèi)，工作溫度為25～85℃時(shí)，實(shí)時(shí)鐘功耗范圍為0．067～0．1825mW。Blackfin系列處理器提供了動(dòng)態(tài)電源管理功能，靈活的對(duì)時(shí)鐘頻率、工作模式及內(nèi)核電壓進(jìn)
行調(diào)整，以Blackfin533為例闡述Blackfin系列處理器低功耗設(shè)計(jì)的具體方法。

1 時(shí)鐘頻率控制
    現(xiàn)代DSP芯片中大量使用CMOS FET(Complementary Metal-oxide Semiconductor FET互補(bǔ)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)開關(guān)，穩(wěn)定時(shí)或者處于完全打開狀態(tài)(很低的負(fù)載)，或者處于完全關(guān)閉狀態(tài)，但是在兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生漏電流，所以開關(guān)頻率很高時(shí)，F(xiàn)ET充放電會(huì)引起很大的電源功耗。因此，通過降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可以有效降低系統(tǒng)功耗。
    Blackfin533通過外部時(shí)鐘輸入引腳CLKIN接收外部時(shí)鐘源(10～40 MHz)的時(shí)鐘輸入，再通過鎖相環(huán)(PLL)，電路模塊產(chǎn)生內(nèi)核時(shí)鐘(CCLK)和系統(tǒng)時(shí)鐘(SCLK)，通過設(shè)置PLL相關(guān)寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)CCLK和SCLK的頻率控制。PLL系統(tǒng)如圖l所示。

    CCLK和SCLK均由VCO(Voltage-ControlledOscillator-壓控振蕩器)輸出的時(shí)鐘分頻后得到。VCO輸出時(shí)鐘頻率由PLL控制寄存器(PLL_CTL)設(shè)置，CCLK和SCLK對(duì)VCO的分頻因子由PLL分頻寄存器(PLL_DIV)設(shè)置。PLL_CTL各位說明如表1所示。

    對(duì)于不同的DF和MSEL值，VCO輸出相應(yīng)的時(shí)鐘頻率，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。[!--empirenews.page--]

    需要注意的是VCO最小輸出時(shí)鐘頻率為50 MHz，最大輸出頻率為內(nèi)核時(shí)鐘CCLK頻率的最大值。對(duì)BlackfinBF533，CCLK最大值為600 MHz，而BF532／531的CCLK最大值為400 MHz。所以VCO輸出頻率不應(yīng)超出范圍50MHz～CCLK。
    通過設(shè)置PLL分頻寄存器PLL_DIV中的CSEL(PLL_DIV的4～5位)確定CCLK，設(shè)置SSEL(PLL_DIV的0～3位)確定SCLK，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

    由于SCLK頻率不能高于CCLK的頻率，所以在對(duì)SSEL參數(shù)設(shè)置時(shí)，需要確定當(dāng)前CCLK的頻率。
    假設(shè)外部時(shí)鐘輸入CLKIN=27 MHz，將CCLK設(shè)置為594 MHz(27×22)，SCLK設(shè)置為118．8 MHz(594／5)，程序代碼如下
    

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2 工作模式轉(zhuǎn)換
    Blackfin533具有4種工作模式：全速、激活、睡眠、深度睡眠，功耗大小關(guān)系為：全速>激活>睡眠>深度睡眠。不同模式下處理器的內(nèi)核電壓及時(shí)鐘設(shè)置不同，如表4所示。所以靈活調(diào)整系統(tǒng)的工作模式可以有效的降低系統(tǒng)的功耗。

    在轉(zhuǎn)換工作模式時(shí)，應(yīng)該明確處理器當(dāng)前的工作模式，而系統(tǒng)的工作模式由PLL控制寄存器(PLL_CTL)中的PLL_OFF，BYPASS，STOPCK和PDWN狀態(tài)位共同確定。圖2說明了各種工作模式轉(zhuǎn)換之間的聯(lián)系以及轉(zhuǎn)換條件。

    通過設(shè)置PLL_CTL寄存器實(shí)現(xiàn)工作模式的轉(zhuǎn)換，新的設(shè)置不會(huì)立即生效，需要先執(zhí)行下面的一個(gè)程序段

    從當(dāng)前工作模式轉(zhuǎn)換至另一個(gè)工作模式的具體過程簡(jiǎn)述如下
    (1)設(shè)置喚醒請(qǐng)求，目的：將處理器喚醒，使PLL_CTL中新的設(shè)置生效以便進(jìn)入新的工作模式。
    (2)按模式轉(zhuǎn)換條件，設(shè)置PLL_CTL。
    (3)禁止一切中斷，將處理器置入空閑狀態(tài)，等待喚醒請(qǐng)求。
    (4)喚醒后恢復(fù)中斷，PLL_CTL中設(shè)置的新值開始生效，處理器進(jìn)入新的工作模式，繼續(xù)執(zhí)行其他指令。
    默認(rèn)狀態(tài)下，所有的中斷都能產(chǎn)生1個(gè)喚醒請(qǐng)求，即當(dāng)1個(gè)中斷產(chǎn)生時(shí)，處理器內(nèi)核就會(huì)收到1個(gè)喚醒請(qǐng)求，如果此時(shí)處于空閑狀態(tài)，則會(huì)退出此狀態(tài)，處理相應(yīng)(中斷)程序。通過系統(tǒng)中斷喚醒使能寄存器(SIC_IWR)設(shè)置中斷與喚醒請(qǐng)求之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中24～31位保留，其他位分別對(duì)應(yīng)了不同的中斷源，如定時(shí)器中斷、看門狗定時(shí)器中斷、DMA中斷等，某一位如果置1，則相應(yīng)中斷發(fā)生時(shí)就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)喚醒事件。系統(tǒng)復(fù)位后，SIC_IWR中的所有位均為1。
    工作模式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵就是對(duì)PLL_CTL的設(shè)置，這就要求確認(rèn)系統(tǒng)當(dāng)前的工作模式，再根據(jù)圖2所示的轉(zhuǎn)換條件設(shè)置PLL_CTL寄存器。另外必須設(shè)置喚醒請(qǐng)求，因?yàn)樗兄诖_定處理器何時(shí)被喚醒，進(jìn)入預(yù)期的工作狀態(tài)。
    下面是一個(gè)從全速模式到激活模式轉(zhuǎn)換的實(shí)例：
    對(duì)喚醒請(qǐng)求進(jìn)行設(shè)置，本例中利用看門狗定時(shí)器中斷來產(chǎn)生這個(gè)喚醒請(qǐng)求。
    (1)設(shè)置定時(shí)器的計(jì)數(shù)值：通過看門狗計(jì)數(shù)寄存器(WDOG_CNT)設(shè)置。
    (2)設(shè)置相應(yīng)事件：當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)至O時(shí)產(chǎn)生中斷，即看門狗控制寄存器(WDOG_CTL)第3位置1，其余位為0。
    (3)利用看門狗中斷產(chǎn)生喚醒請(qǐng)求：SIC_IWR寄存器第24位置1，其他位為0，使能看門狗中斷喚醒請(qǐng)求。

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3 片內(nèi)外設(shè)控制
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不是所有外設(shè)都能用到，而系統(tǒng)具體運(yùn)行過程中，有些外設(shè)也不需要一直工作。所以，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候可以通過禁用不使用的外設(shè)來降低系統(tǒng)的功耗。Blackfin535有專門的外設(shè)時(shí)鐘寄存器(PLL_IOCK)，統(tǒng)一控制所有外設(shè)的時(shí)鐘，禁用某外設(shè)只需要將PLL_IOCK中對(duì)應(yīng)位置0即可。Blackfin533／532／531沒有這種統(tǒng)一的時(shí)鐘控制寄存器，只能通過每個(gè)外設(shè)的控制寄存器來使能或禁用外設(shè)。

4 內(nèi)核電壓控制
    Blackfin系列處理器通過片內(nèi)的調(diào)壓器可以將外部的2．2～3．6 V的供電電壓轉(zhuǎn)換成0．85～1．2 V，為內(nèi)核供電。由于功耗與電壓的平方成正比，降低內(nèi)核電壓可有效降低系統(tǒng)功耗。片內(nèi)的調(diào)壓器需要搭配一定的外部電路才能實(shí)現(xiàn)其調(diào)壓功能，外部電路圖3所示。

    VDDEXT為I／O供電電壓，VDDINT為內(nèi)核供電電壓，VROUT為外部FET／BJT驅(qū)動(dòng)，用于控制開關(guān)頻率。
    通過調(diào)壓器控制寄存器(VR_CTL)的VLEV(4～7位)來設(shè)置內(nèi)核電壓值，VLEV與電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表5所示。

    修改VR_CTL的VLEV值可將內(nèi)核電壓控制在0．8～1．2 V，也可以將內(nèi)核供電完全關(guān)閉，即將VR_CTL中的FREQ(O～1位)設(shè)置為00，此時(shí)內(nèi)核時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘都會(huì)停止工作，而內(nèi)核電壓為0。修改內(nèi)核工作電壓的程序段需要放在對(duì)PLL_CTL設(shè)置程序之后執(zhí)行。